基于ZigBee无线通信的智能家居闭环系统设计与实现

杨怡婷，欧阳名三

1.淮南职业技术学院信息与电气工程系，安徽淮南，232001；2.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232001

基于ZigBee无线通信的智能家居闭环系统设计与实现

杨怡婷1，欧阳名三2

1.淮南职业技术学院信息与电气工程系，安徽淮南，232001；2.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南，232001

设计了一种基于ZigBee无线通信系统为核心，采用S3C2410芯片为核心处理器，以CC2430芯片为各控制、采集、协调器节点的智能家居闭环系统，给出了系统架构、硬件模块、系统软件和控制系统设计方案，并对系统各部分进行了测试，测试结果表明，系统各部分运行正常，最终实现了以处理器自行控制、维持的智能家居闭环系统。

智能家居；ZigBee；闭环设计；CC2430B

基于智能家居发展的现状，结合智能家居系统的真实场景，设计了以S3C2410芯片为核心处理器的智能家居演示系统，系统以CC2430处理器为各控制、采集、协调器节点。该系统利用网络通信技术、嵌入式计算机技术、自动控制技术等，将家庭日常生活有关的各种应用子系统有机地结合起来，通过综合管理，让家庭生活更舒适、安全、有效和节能。无须用户干预即可保持室内环境的舒适、安全[1]。

1 系统架构

传统智能家居系统的主要功能体现在“报告”上，即可通过GSM和Internet等通讯手段向用户进行告知的功能，而在每天接受信息量巨大的今天，这些冗余数据已没有实际意义——一般用户不需要确切地了解现在室温究竟是多少摄氏度，而关心是否舒适。这种舒适可用处理器来控制，于是本设计摈弃了GSM、Internet等模块，直接利用处理器，加入自动控制算法，形成闭环系统，实时保持室内环境的舒适[2]。

本设计可实现如下功能：温湿度传感器测量室内温湿度状态并实时向协调器无线传输温湿度数据，协调器在接收数据后自行判断，如温度大于27℃时则打开电动窗帘；门禁采集节点实时向协调器无线传输门禁状态，如门被打开则打开照明系统。在采集和处理数据时，协调器通过串口将房屋各状态发送给S3C6410进行显示[7]。如此，实现了两个闭环系统。系统整体框图如图1所示。

图1 整体系统构架

2 硬件设计

2.1 房间状态显示模块

使用S3C6410芯片作为显示设备。S3C6410芯片是一个16/32位RISC微处理器，协调器通过串口与S3C6410芯片进行有线通信，将房屋各状态传输后进行显示。S3C6420搭载Windows CE操作系统，该系统提供了方便的接口函数以及图形化软件界面。

2.2 无线通信模块

CC2430是一个真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用以及对低成本、低功耗的要求。它结合了一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一个工业级小巧高效的8051控制器[9]。CC2430结合了8K kb的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，它们是根据不同的闪存空间32 kb、64 kb和128 kb来优化复杂度与成本。

本设计无线通信系统由协调器和终端构成简单星型网络，如图2所示。图3为CC2430系统板样图。

图2 无线通信星型图

图3 本设计采用的CC2430系统板

2.3 温湿度传感模块

SHT10属于Sensirion温度和湿度传感器系列中的以贴片为封装的传感器。此传感器的信号处理电路以及传感元件被集成在一小块微型的电路板上，输出的是标定的数字信号。因其采用了CMOSens(r) 专利技术，故具有非常高的可靠性和突出的长期稳定性。传感器实时采集室内温湿度，并通过ZigBee将温湿度数据无线传输至协调器进行进一步处理[3]。

2.4 无线控制的电动窗帘及照明系统

电动控制开合窗帘系统包括装饰布帘、轨道系统和控制系统，具体结构是：滑线上缚有永磁体，在封闭的连杆内腔中运行，磁力透过帘杆牵引吊环。轨道系统采用电磁驱动。控制系统中加入编码遥控开关，即在ZigBee节点电路上安装编码遥控开关，以脱离遥控器，形成闭环系统。

3 软件设计

本系统包括协调器、采集节点和控制节点，其程序设计如下。

协调器流程图如图4所示。

图4 协调器流程图

以下是协调器主函数[5-6]：

ZSEG int main(void)

{

osal_int_disable(INTS_ALL); 关闭中断

HAL_BOARD_INIT(); 板载硬件初始化

zmain_vdd_check();

zmain_ram_init(); 内存初始化

#ifndef NONWK

afInit(); 通信模块初始化

#endif

osal_init_system(); 初始化系统，其中将初始化任务

P1SEL &=0x0; 将P1端口各引脚设置为GPIO模式

P1DIR|=0x3f; 设置P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,为输出方式

osal_start_system(); 启动系统

}

温度采集节点的程序流程图如图5所示。

4 系统调试与实现

4.1 各电路模块测试

对于这段开关互市的历史，在辽东满族民众的记忆中也有记载和表现。最有代表性的就是在桓仁地区采录的《老杲子》[注]夏秋主编：《满族民间故事·辽东卷》上卷，辽宁民族出版社，2010年，第12页。，其内容如下：

4.1.1 S3C6410开发板串口、显示程序及温湿度采集测试

(1)为协调器和温湿度采集节点上电，当采集节点LED3、LED4熄灭时，表明采集节点成功加入ZigBee网络[6]；

(2)打开开发板开关，连接好串口，打开串口程序，可以看到节点2传回的温湿度数值。

图5 温度采集节点程序流程图

4.1.2 灯光与电动窗帘模块测试

(1)在用户主任务中加入以下语句：

light_head();

light_data_k1();

Delay(30000);

light_head();

light_data_k2();

(2)打开供电开关，3 s钟亮灭，证明模拟成功。

4.2 系统实现

(1)打开S3C6410开发板电源，启动Windows CE系统(图6)；

图6 Windows CE 启动画面

(2)给各个CC2430协调器、节点上电；

(3)当采集节点、控制节点的LED3、LED4熄灭，表明对应节点成功加入ZigBee网络(图7)；

(4)本设计遥控开关分发送和接收两个部分，经示波器检测，此无线遥控器发送的波形如图8所示。

图7 两LED熄灭节点正常加入网络

图8 遥控器波形图

5 结束语

本设计本着节能高效、方便使用、人性化的思想，采用CC2430低成本芯片作为无线模块，大大节省了预算，取消了烦琐的GSM、Internet模块，构成了纯粹以处理器自行控制、维持的智能家居闭环系统[8]，对各种复杂情况都有较好的反应。

[1]包依勤．基于物联网技术的智能家居系统的研究与探讨[J]．物联网技术，2013(7)：38-41

[2]刘光．基于Zigbee与以太网的智能家居系统设计[D]．大连：大连理工大学机械工程，2012：20-25

[3]王小强,欧阳骏，黄宁淋，等．ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]．北京：化学工业出版社，2012：40-43

[4]李文仲，段朝玉．ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2009：18-20

[5]宋宝华．Linux设备驱动开发详解[M]．北京：人民邮电出版社，2011：10-13

[6]马菁菁．Zigbee无线通信技术在智能家居中的应用研究[D]．武汉：武汉理工大学测试计量技术及仪器，2009：50-57

[7]申斌，张桂青，汪明，等．基于物联网的智能家居设计与实现[J]．自动化与仪表，2013(2)：6-10

[8]李勇．智能家居无线控制网络的设计与实现[J]．自动化仪表，2013(7)：58-61

[9]张小威．ZigBee电路设计及在智能家居中的应用[D].南京：南京邮电大学电子与通讯工程，2013：50-55

(责任编辑：汪材印)

2014-06-08

安徽省教育厅优秀青年人才基金项目“基于多智能体的小样本水泥回转窑故障在线诊断研究”(2012SQRL258)。

杨怡婷(1983-)，女，安徽淮南人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：自动控制理论和智能算法。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.09.024

TN925

A

1673-2006(2014)09-0079-04